第４３卷第３期 ２０１４年９月 Ｖｏ１．４３ＮＯ．３ Ｓｅｐ．２０１４ 文章编号：１６７２—５５４９（２０１４）０３—０２１２—０４ 大型９ＦＡ燃号栅组热瞬变振动硇诠断及处理 吴文健 ，张浩权 ，应光耀 ，李卫军 ，蔡文方 （１．国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州３１００１４；２．浙江省电力公司，杭州３１０００７） 摘要：介绍了美国ＧＥ公司生产的大型９ＦＡ燃气机组冷态启动时的振动爬升问题，即热瞬变振动现象。针 对热瞬变振动现象，分析了其产生的机理，并采用有效方法解决了振动问题，可供同类型机组参考。 关键词：９ＦＡ；燃气机组；热瞬变；振动；诊断；处理 中图分类号：ＴＫ４７７ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３７０７／ｊ．ｃｎｋｉ．３１—１９２２／ｔｈ．２０１４．０３．０１２ Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ａｎｄ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｈｅａｖｙ－Ｄｕｔｙ ９ＦＡ Ｇａｓ Ｔｕｒｂｉｎｅｓ ＷＵ Ｗｅｎ－ｊｉａｎ ，ＺＨＡＮＧ Ｈａｏ－ｑｕａｎ ，ＹＩＮＧ Ｇｕａｎｇ－ｙａｏ ，ＬＩ Ｗｅｉ－ｊｕｎ ，ＣＡＩ Ｗｅｎ－ｆａｎｇ （１．Ｓｔａｔｅ Ｇｒｉｄ Ｚｈｅｎｇｊｉａｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００１４，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｔａｔｅ Ｇｒｉｄ Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１０００７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｕｎｓｔａｂｌｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｃａｌｌｅｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｉｎ ｃｏｌｄ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｏｃｃｕｒｒｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｈｅａｖｙ－ｄｕｔｙ ９ＦＡ ｇａｓ ｔｕｒｂｉｎｅ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｕｎｓｔａｂｌｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ ｂｙ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｍｅｔｈｏｄ，ｗｈｉｃｈ ｏｆｆｅｒｓ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｏｔｈｅｒ ｕｎｉｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｙｐｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ９ＦＡ；ｇａｓ ｔｕｒｂｉｎｅ；ｔｈｅｒｍａｌ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ；ｖｉｂｒａｔｉｏｎ；ｄｉａｇｎｏｓｉｓ；ｔｒｅａｔｍｅｎｔ 美国ＧＥ公司生产的９ＦＡ燃气机组在冷态启动 汽联合循环发电机组由ＰＧ９３ｌ５ＦＡ型燃气轮机、 Ｄ１０型三压有再热系统的双缸双流式汽轮机、 过程中，１号、２号瓦振动在３ ０００ ｒ／ｍｉｎ下会出现先 爬升后回落过程，严重时振动达到跳机值，这种热瞬 变振动现象，对机组安全性和经济性产生巨大影响。 ３９０Ｈ型氢冷发电机构成。燃气轮机、汽轮机和 发电机转子刚性地连接在一根轴上。燃气轮机主 本文通过对多台燃机的热瞬变振动现象进行研究， 分析了其产生振动的机理，并采用热态动平衡方法 解决了振动问题，确保了机组安全稳定运行。 轴分为３段：燃机压气机转子、高中压转子、低压 转子，均为整锻实心转子，每段转子均由２个径向 轴瓦支撑ｌ＿】］，整个轴系布置如图１所示。１、３、４、５ 为可倾瓦轴承，２、６、７、８为椭圆瓦轴承，推力瓦在 １号轴承处，如图ｌ所示。 １燃气机组热瞬变振动现象 美国ＧＥ公司生产的３９０ ＭＷ等级的燃气蒸 图１轴系布置示意图 大型９ＦＡ燃气机组在冷态启动过程中，有一 个特有的现象，即机组冲转到３ ０００ ｒ／ｍｉｎ时，１、２ 值而停机，需重新启动一次或多次才正常，如图２ 所示，这被称为热瞬变振动现象（ｔｈｅｒｍａｌ 号轴振先爬升，后慢慢回落，严重时振动达到跳机 ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｂｅｈａｖｉｏｒ）——是一种由于传 收稿日期：２０１４—０１—１８ 修订日期：２０１４－０２—１７ 作者简介：吴文健（１９６８一），男，１９９３年浙江大学能源系研究生毕业，工学硕士，高级工程师，国网浙江省电力公司电力科学研究院工作，主 要从事汽轮发电机组振动试验研究工作。 囡ＩＩ１｜ 大型９ＦＡ燃气机组热瞬变振动的诊断及处理 热力透平 热不均匀造成的振动现象。这种现象是由９ＦＡ 叶轮与叶片在安装时的间隙、安装紧力等工艺不 燃机转子的结构造成的，９ＦＡ燃机的压气机和透 可能完全一致，因此转子的受热就可能不均匀，转 平转子是盘鼓式拉杆结构，并且设有抽气口，在启 子就会产生一定的热弯曲；另一方面抽气口在抽 动期间，燃机燃烧室温度很高（超过１ ０００℃），高 气时会造成转子一些微小的热不对称，两者导致 温燃气直接冲击燃机转子，而转子是冷态的，燃气 热瞬变振动的产生 。 和转子的温差巨大，由于转子有盘级的存在，加上 ：＝０《广Ｉ ∽ 雹 ．１ 白ｐＬＩｒＩ 窆《 Ａｌ ∞ ＿【 ＡＩＰ／ｃＩ包ｇ ０邑 巨０＿Ｉ ＰＯＩＮＴ：ｌＹ３９ＶＳ－１２／－４５。Ｒ ３ Ｊ ｇｈｔ——ｌ ２ ３ ２ １ １ ＤＩＲＥＣＴ １５２ｍｉｃｒｏｍＰＰ Ｐ０ＩＮＴ：１Ｙ３９ＶＳ一１２ ／－４５。Ｒｉｇｈｔ一………ＩＸ 舳加∞∞ ＵＮＣＯＭＰ １４６ｍｉｃｒｏｍＰＰ／１０４。 ＭＡＣＨＩＮＥ：Ｇａｓ Ｔｕｒｂｉｎｅ ∞ ∞卯０ １８ＪＵＬ２００７ Ｆｒｏｍ １８ＪＵＬ２００７ １７：１３：１４．４ Ｔｏ １８ＪＵＬ２００７ ２１：１２：０９．７ Ｓｔａｒｔｕｐ １８：１９：０９．０ １８ＪＵＬ２００７ １８ＪＵＬ２００７ １８ＪＵＬ２００７ １８ＪＵＬ２００７ ・ｈ Ｊ ｌ： ＩｊＵ ． １－ ｌ ：ｊ１ ．Ｕ ． １． ． ｌ： Ｕ 。 ．１ ． ．ＺＵ： ｊＵ ． ． Ｉ ． ： －－ 一 ｈ 謦 １００巴 ｉＩ婶 ５０ ０ 要 １７：３０ １８：３０ １９：３０ ２０：３０ １８ＪＵＬ２００７ １８ＪＵＬ２００７ １８ＪＵＬ２００７ １８ＪＵＬ２００７ 图２ ９ＦＡ燃机转子热瞬变振动现象 ＧＥ燃机转子均是叠加装配的，为抽气结构， 状态下的振动产生负面影响。因此需要综合考虑 因此都存在热瞬变振动现象，这种现象是ＧＥ生 热瞬变振动、带负荷工况等振动数据，提出合理可 产的９Ｆ机组的一个固有特性。由于燃机具有启 行的热态动平衡处理方法，主要步骤如下： 动时间短的特点，中间过程均不需要暖机，因此机 １）根据机组配套的汽轮机故障诊断系统测试 组到达３ ０００ ｒ／ｒａｉｎ后，转子的热不均匀性不仅未 得到的轴振信息，辨识出平衡转速下的轴系各转 减弱，反而增强，导致热瞬变产生的振动仍逐步爬 子的振型矢量； 升，在经过约１ ｈ（每台机组有区别）后，随着转子 ２）对机组各个工况进行测试，存在热瞬变振 达到一个稳定的热状态，振动会逐步衰减，最后达 动过大现象的，选择需加重的平面； 到一个较好的振动水平。每台机组在启动期间的 ３）需要平衡的原始振动Ａ 是热瞬变振动极 瞬时振动情况都不相同，这与相同结构转子的安 大值和带基本负荷工况的振动值的折中值； 装质量有关。热瞬变振动情况较好的，振动不会 ４）根据各个转子的滞后角得出每个转子振型 爬升到跳机值，机组启动一次成功；振动情况较差 的加重平面上的加重角度； 的，振动会爬升到跳机值而造成停机，需重新启动 ５）首次加重的质量Ｐ等于振幅除以预估的 一次或多次才能成功。这与机组的原始振动水平 质量响应系数，预估的质量响应系数需参考同类 大小也有较大关系。 型机组的数据，即首次加重要参考加重区间的质 量数据； ２振动诊断及处理技术 ６）根据多转子多平面一次加重，重新开机至 额定转速，待振动稳定，测试和评估平衡后的振动 热瞬变振动现象作为９ＦＡ燃机转子的固有 信息，计算各转子振型矢量的影响系数。 特性，部分机组存在因热态瞬变振动过大导致机 若仍存在不平衡，根据６）得出的振型矢量的 组停机的现象，需要多次启动才能成功。热瞬变 影响系数，得到各转子振型的滞后角和质量响应 振动还使振动的工频分量增加，相位变化。这可 系数；根据步骤６）得出的影响系数，按照加重的 以通过动平衡的手段来处理。通过动平衡能降低 目标进行优化计算，直至平衡达标。 热瞬变的振动值，但有可能会对机组在稳定运行 根据以上步骤，具体做法如下ｌ３］： ｍｉｌｌ圈圈 第３期 大型９ＦＡ燃气机组热瞬变振动的诊断及处理 １）平衡数据的选择： 热瞬变振动的主要处理原则是降低热瞬变振 动极大值，且不增大基本负荷工况下的机组振动 值。平衡原始数据以热瞬变振动极大值为主，适 当引入基本负荷工况或其他工况下的振动数据。 如果１号瓦的热瞬变振动极大值振动响应与原基 本负荷工况振动响应的相位相差小于９０。，呈同相 关系，那么对热瞬变振动极大值的处理也有益于 基本负荷工况。如果主要加重的分量不太大，热 的实践表明，加重时相位的确定要比加重质量大 小的选取更为重要。 ３）Ｊｊｎ重质量的确定： 加重的质量Ｐ等于振幅除以灵敏度系数（影 响系数的幅值）： Ｄ一 一 （３） 式中：Ａ为需要平衡的原始振动；ｋ为灵敏度系 数。不同转子的灵敏度是不同的，即便是同类转 瞬变振动极大值就可以作为动平衡的原始数据。 如果１号瓦的热瞬变振动极大值振动响应与 原基本负荷工况振动响应的相位相差介于９ｏ。～ １８０。之间，呈反相关系，那么应该取热瞬变振动极 大值和基本负荷工况的折中值作为动平衡的原始 值，计算公式： Ａ 一ｋＡ ＋Ａ。 （１） 式中：Ａ。为基本负荷工况振动响应；Ａ 为热瞬 变振动极大值振动响应；ｋ为热瞬变振动影响因 子，根据瞬变振动大小而定，一般取０．６～０．８，由 多次平衡的经验积累所得。动平衡后的振动还应 使刚定速在３ ０００ ｒ／ｍｉｎ的振动数据不超过报警 值。 ２）￣ＪｌＪ重相位的确定： 从测量的振动相位可知道位移高点，依据机 械滞后角，即可求得不平衡加重的方向。由机械 振动理论和振动测试原理可知，转子上的不平衡 与不平衡引起的转子的动挠度不在一个方向上， 它们之间存在一个夹角 ，称为滞后角。一般视 不平衡的位置为重点，动挠度的位置为高点。高 点由振动测试的相位确定。由高点顺转动方向转 动 角，就是不平衡的位置，而加重质量就在它的 相反方向上。根据键相器传感器、振动传感器位 置，可修正得出振动的高点，因此利用滞后角可以 计算出的加重位置公式： Ｊ８一口＋），一 ＋１８０。 （２） 式中：Ｊ９为加重的角度；ａ为振动测试得到的相 位；ｙ为振动传感器与键相器的夹角（以键相器为 起点，逆转动方向度量）； 为滞后角。 加重的角度 指以键槽位置为起点，逆转动 方向到加重位置的角度。由式（２）可知，ａ由振动 仪器测量得到，ｙ根据现场探头布置可得到，较为 难确定的是滞后角，滞后角包括机械滞后角和仪 器滞后角。加重方向的确定是最为关键的，大量 ■啊ＩＩＩ｜ 子的灵敏度有时也有较大差别。 对机组高、中、低压转子的第一次加重质量， 要确定一个最小和最大的加重区间。所谓最小加 重，就是要避免加重太小而导致振动无变化； 所谓最大加重的，就是要避免加重太大导致 振动过大。这个区间要靠理论计算和经验积累确 定。 ３处理案例 ２００９年４月至６月，半山发电厂１号燃气机 组在冷态启动过程中，刚定速时，１Ｘ、１Ｙ的振动 仅为１３ ｍｍ、１０ ｍｍ，运行半小时后，１Ｘ、１Ｙ的振 动就爬升到２１０ ｍｍ、１９０ ｍｍ，出现了严重的热瞬 变振动现象而导致停机，经多次启动后机组振动 才逐步正常。该燃机的热瞬变振动特性已严重影 响机组的经济性和安全性，为此决定通过上述动 平衡技术来降低热瞬变振动值。 半山１号燃机热瞬变振动和负荷工况振动数 据见表１。表中数据包括通频、工频、工频相位。 选停机时的数据作为热瞬变振动的极大值，基本 负荷工况的振动选取６月１日的数据，可知两者 的振动基本上成反相关系，降低热瞬变振动的极 大值必然会增大基本负荷工况下的振动。 表１半山１号燃机热瞬变振动处理前数据＊ ＊以上数据表示为：通频振动／２：频振动 相位，单位ｙｍ／ ｔｚｍＸ。。下同。 因此，采用热态瞬变振动极大值和基本负荷 大型９ＦＡ燃气机组热瞬变振动的诊断及处理 热力透平 工况的折中值来作为计算依据，根据式（１），ｋ取 ０．６，因３ ０００ ｒ／ｍｉｎ下振动很好，只要适当降低热 瞬变振动极大值即可。 可得到１号轴振ｙ方向：９９ ２９３。，Ｘ方向： ９９ １３。。 在随后的多次冷态启动中均能一次成功，未发生 因热瞬变振动大而跳机的情况，成功地解决了半 山１号燃机振动爬升的问题，消除了由于振动大 而跳机的隐患，机组的安全性得到了较大提高，同 时减少了机组冷态启动次数，经济效益也十分可 观。该技术后续应用于其它燃机的热瞬变振动处 ９ＦＡ燃机的结构决定了现场仅对２号瓦端 排气端加重，参考同类型机组，其２号瓦平面处加 重影响１号轴振的滞后角，由已加重的燃机数据 可知，ｙ方向和Ｘ方向的影响系数角为１７０。、 ２７０。，根据式（２）计算加重相位，可知ｙ方向： ＝＝＝ ３００。，Ｘ方向：口一２９０。 理，均取得较为满意的效果。 ４结 论 大型９ＦＡ燃气机组的热瞬变振动现象是该 根据式（３）估算加重质量，对于燃机转子，振 动响应系数应在８０～１４０／．ｔｍ／ｋｇ，那么加重质量 约为０．７～１．１ ｋｇ，取加重的下限，最终决定的加 重方案为：在燃机转子上靠２号瓦端加０．７ 、 ２９０。的平衡块。加重后启动至３ ０００ ｒ／ｍｉｎ及带 基本负荷下的数据见表２。 表２半山１号燃机热瞬变振动处理后数据 机组的固有特性，是由该机组的结构决定的。为 降低热瞬变振动，确保机组在冷态启动过程中不 因振动大跳机，应综合考虑额定转速下振动值、热 瞬变振动值、机组带负荷振动值等，并选取有效加 重面、加重重量和加重角度，力争加重一次成功， 提高机组的安全性和经济性。 参考文献： ［１３吴文健，吴斌，戴惠庆．大型９ＦＡ燃气发电机组的振动试验研 究及处理ＥＪ３．浙江电力，２０１３，７（７）：３８—４１． ［２３韩建清．ＰＧ９３５１ＦＡ燃机启动过程中振动大故障的分析ＥＪ］． 燃气轮机技术，２００９，２２（３）：６７—６９． ［３３应光耀，童小忠，吴文健．半山１号燃气机组油膜涡动和油膜 振荡分析及处理［Ｊ］．汽轮机技术，２００６，４８（１）：６３～６６． 通过以上动平衡技术处理后，半山ｌ号燃机 ．短讯・ 提高燃气轮机效率的技术 西门子能源公司已经在美国弗吉尼亚州开设了夏洛茨维尔工厂，采用托莫光刻成型技术生成商用的翼型陶瓷核心 燃气轮机动叶和静叶。 Ｔ０Ｍ０技术最初由Ｍｉｋｒｏ系统公司进行研发并取得专利，得到了美国能源部门的美国复苏和再投资法案基金及小 商业创新研究基金的资助。 Ｍｉｋｒｏ系统公司和西门子能源公司在２０１１年５月签署了一份技术许可协议，合作发展该制造技术——目前还不具 备商用条件——应用到一系列的燃气轮机组件上。 “在过去的几年，我们已经采用ＴＯＭＯ技术生产了先进的零部件”Ｍｉｋｒｏ系统公司ＣＥＯ和创造者迈克．阿普尔比说 到。通过与西门子合作，该技术将在大量的叶片制造中发挥着可靠的作用。 西门子提到ＴＯＭＯ制造平台使金属、陶瓷、聚合物及复合材料等高性能产品的生产制造更加快速及成本更加低廉。 应用于燃气轮机中，将使采用先进冷却技术的复杂设计的叶片制造成为可能，这些将使运行温度和效率得到提高。 摘自《柴油机和燃气轮机世界））２０１３．ＮＯ．８ ２０２０年完成核电装机有望超５ ８００万千瓦 据２０１４年８月１４日《北极星电力网》报道，国家网站发布的《能源行业加强大气污染防治工作方案》提出， ２０１５年运行核电装机达到４ ０００万千瓦、在建１ ８００万千瓦，年发电量超过２ ０００亿千瓦时；力争２０１７年底运行核电装机 达到５ ０００万千瓦、在建３ ０００万千瓦，年发电量超过２ ８００亿千时。 ｜ｌｉｅ田
